Мембрана клетки

Мембраны играют чрезвычайно важную роль в деятельности клетки в целом и ее отдельных органелл.

Все, что нужно знать о мембране клетки

Мембраны, образующие эндоплазматическую сеть с сидящими на них рибосомами, — это изумительно тонко и слаженно работающие химические комбинаты, производящие белки. Митохондриальные мембраны — важнейший структурный компонент исключительно эффективно работающих силовых подстанций клетки, в которых энергия пищевых веществ трансформируется в формы, удобные для ее использования в организме.

Наружная мембрана клетки — ее ворота, избирательно пропускающие одни вещества и непроходимые для других. Этим она регулирует химический состав клетки и процессы, в ней совершающиеся. Наружная мембрана устроена таким образом, что дает клетке возможность «узнавать» себе подобных, вступать с ними в контакт, «обмениваться» информацией. Мембраны некоторых видов клеток, кроме этих общих функций, выполняют еще и специализированную работу, например, в нервных клетках они генерируют нервные импульсы, в сетчатке глаза — превращают световую энергию в электрическую.

Все биологические мембраны, независимо от различных их специализированных функций, построены в основном из двух классов химических соединений — белков и липидов. Последние представлены в мембранах преимущественно особым подклассом этих соединений, отличающихся от простых липидов (нейтральных жиров) тем, что в составе их молекул, кроме остатков глицерина и жирных кислот, имеются остатки некоторых азотсодержащих соединений и фосфорной кислоты. Это — так называемые фосфолипиды (фосфатиды).

За последние 10 лет выяснилось, что разные виды мембран отличаются качественными и количественными особенностями липидной и белковой фракций и своими ферментными ансамблями. Интерес к проблеме биомембран сейчас так велик, что за последние годы сформировалась особая отрасль молекулярной биологии — мембранология.

Детали конструкции мембран являются предметом исследований, проводимых во многих лабораториях мира.

До недавнего времени господствовала схема, согласно которой биомембрана представляет собой нечто вроде сэндвича — состоит из двойного слоя липидов, с обеих сторон покрытого слоями белка, наподобие двух бутербродов, обращенных друг к другу маслом (двойной липидный слой) и кнаружи — хлебом (белковый слой), причем слои белков и липидов представляли себе как совершенно однородные.

В последние годы в результате изучения мембран с помощью более совершенных электронных микроскопов, стали отдавать предпочтение теории так называемого мозаичного их строения. В этой теории в качестве основы биомембран также принимается двойной липидный слой, но в связи с тем, что в него внедрены белковые глобулы, он представляется не сплошным, а прерывистым. Часть из них адсорбирована на липидном слое, часть в него встроена, часть — полностью пронизывает липидную мембрану.

Различают два способа прохождения веществ через мембраны: пассивный и активный транспорт.

В последние годы открыт целый класс веществ, которые, соединяясь с ионами, нерастворимыми в липидах, образуют с ними комплексы, растворимые в липидах и способствуют прохождению ионов через мембраны.

Существует так называемый активный транспорт принципиально отличается от обычной диффузии.

Благодаря так называемому активному транспорту клетка способна накапливать такие концентрации некоторых веществ, которые во много раз превышают их концентрацию во внеклеточной среде.

Например, концентрация калия в эритроцитах в 20 раз выше, чем в жидкой части (плазме) крови, а концентрация натрия, напротив, в 20 раз ниже. Совершенно очевидно, что здесь работает биологический насос, который против градиентов концентрации накачивает калий в клетки и откачивает из них натрий. Концентрация йода в клетках щитовидной железы в сотни раз выше, чем в крови, приносящей йод к железе.

Активный перенос веществ идет не только через плазматические мембраны, окружающие клетки, но и внутри клетки, через мембраны ее органелл. Например, изолированные митохондрии путем активного переноса могут накапливать ионы кальция и фосфора до концентраций, в тысячу раз превышающих их содержание в среде.

Разность концентраций веществ по обе стороны мембраны клетки или клеточной органеллы имеет колоссальное биологическое значение, она лежит в основе бесчисленного числа проявлений жизнедеятельности, в основе самых разнообразных физиологических процессов. Например, разность концентраций ионов калия и натрия внутри и вне клеток нервной системы — причина возникновения разности потенциалов, тех электрических явлений, которые лежат в основе способности нервной клетки к проведению нервного возбуждения.

Путем активного переноса различных веществ клетки обеспечивают себя материалами, необходимыми им для выполнения специализированных функций. В щитовидной железе вырабатывается гормон, совершенно необходимый для жизни — тироксин. В составе молекулы тироксина имеются атомы йода. И клетки железы активно извлекают из крови йод, необходимый им для синтеза гормона.

Процессы активного переноса требуют затраты энергии, и в их основе лежат описанные выше ферментативные процессы. Источником энергии для них служат процессы окислительного фосфорилирования и гликолиза. При подавлении активности ферментов, катализирующих эти процессы, активный транспорт замедляется или прекращается.

Процессы активного транспорта очень сложны для изучения, так как они протекают в белково-липидных средах (мембранах), в которых чрезвычайно трудно прослеживать течение химических реакций.